標(biāo)準(zhǔn)立體空間坐標(biāo)系膜迷路模型的建立

吳曙智 李熹 鄭炎焱 陳曉素 林萍 楊曉國(guó) 楊曉凱

內(nèi)耳位于顳骨巖部，因其結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜又被稱為迷路，由骨迷路和膜迷路構(gòu)成，解剖顯示困難。臨床影像學(xué)檢查可以獲取骨迷路清晰影像，但不能或僅能部分顯示膜迷路結(jié)構(gòu)[1]。尸體顳骨切片和MR顯微成像、顯微CT可以顯示切面膜半規(guī)管結(jié)構(gòu)，但通常不具備空間方位信息，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量[2]。因此，良性陣發(fā)性位置性眩暈（BPPV）的復(fù)位治療雖然主要同膜半規(guī)管空間方向有關(guān)，但通常用骨半規(guī)管代替來(lái)進(jìn)行演示和判斷[3]。目前研究半規(guī)管空間方向的文獻(xiàn)不多，關(guān)于壺腹嵴空間方向的研究則更少[4]。Baloh等[5]報(bào)道向地眼震水平半規(guī)管BPPV，其圖示膜水平半規(guī)管描繪自胎兒顳骨切片圖像，其橢圓囊和壺腹部和頭部的關(guān)系根據(jù)經(jīng)過(guò)水平半規(guī)管層面顳骨CT檢查圖像進(jìn)行校準(zhǔn)；但左右水平半規(guī)管并不在同一個(gè)平面上，其校準(zhǔn)后對(duì)空間方向的判斷可能會(huì)有偏差。目前，Baloh對(duì)水平半規(guī)管空間方向的描繪被廣為引用。Epley等[6]使用繪圖描繪了后半規(guī)管壺腹嵴空間方向，并提出了半Dix-hallpike試驗(yàn)用于診斷后半規(guī)管嵴石癥，認(rèn)為直立位后半規(guī)管壺腹嵴和水平面夾角為60°。Teixido等[7]根據(jù)新生兒顳骨切片圖像分割獲取一側(cè)膜半規(guī)管模型，根據(jù)解剖學(xué)知識(shí)和正常頭顱進(jìn)行校準(zhǔn)，沒(méi)有對(duì)壺腹嵴空間方向進(jìn)行具體描述。David等[8]使用尸體顳骨染色顯微CT檢查數(shù)據(jù)分割獲取膜迷路結(jié)構(gòu)，與組織切片比較，膜迷路扭曲變形的可能性減少；進(jìn)一步將顯微CT檢查數(shù)據(jù)分割獲取的骨迷路和1位正常人頭顱CT檢查分割獲取的骨迷路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法來(lái)確立膜迷路空間方向，并提供了完整的壺腹帽模型（不包括壺腹帽下間隙和壺腹嵴）。由于半規(guī)管空間方向存在個(gè)體差異，David等建立的膜迷路空間方向是否具備代表性還需進(jìn)一步確認(rèn)。本研究擬通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)立體空間坐標(biāo)系膜迷路模型，并對(duì)壺腹嵴空間方向進(jìn)行測(cè)量。

1 資料和方法

1.1 影像資料 選擇在本院行內(nèi)耳檢查顯示清晰且無(wú)偽影的33例正常者的影像資料，其中男9例，女24例；年齡7～66（43±13.4）歲。排除存在局部病變可能影響半規(guī)管解剖結(jié)構(gòu)、頭顱結(jié)構(gòu)異常者。采用SIEMENS公司1.5T超導(dǎo)型MR系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)頭線圈，應(yīng)用三維穩(wěn)態(tài)構(gòu)成干預(yù)序列（3D-CISS）進(jìn)行內(nèi)耳檢查，掃描參數(shù)：TR 6.0ms，TE 2.7ms，F(xiàn)OV 135×180，矩陣 256×192，層厚0.7mm。1例尸體顳骨染色顯微CT檢查數(shù)據(jù)分割獲取左側(cè)膜迷路模型、骨迷路模型，包括壺腹帽模型[8]。

1.2 建立內(nèi)耳眼球統(tǒng)計(jì)形狀模型 使用3D Slicer（4.7版）軟件分割雙側(cè)內(nèi)耳和眼球模型[9]。首先選擇1個(gè)內(nèi)耳模型作為參考模型，再將其他模型和參考模型進(jìn)行配準(zhǔn)，根據(jù)參考模型建立高斯過(guò)程模型，將配準(zhǔn)后的其他模型與之進(jìn)行進(jìn)一步點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的配準(zhǔn)，最終可以根據(jù)配準(zhǔn)的模型來(lái)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型。為消除初始選擇參考模型所產(chǎn)生的選擇偏移，根據(jù)統(tǒng)計(jì)形狀模型導(dǎo)出平均模型作為參考模型，重復(fù)以上過(guò)程直至最后生成的平均模型穩(wěn)定無(wú)明顯變化，作為標(biāo)準(zhǔn)模型。

1.3 建立標(biāo)準(zhǔn)立體空間坐標(biāo)系 3D Slicer Transform模塊進(jìn)行坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)，使得水平面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型雙側(cè)半規(guī)管總腳分叉點(diǎn)和眼球下緣（半規(guī)管眼底平面），雙側(cè)半規(guī)管關(guān)于矢狀面對(duì)稱[10]。

1.4 膜迷路校準(zhǔn) 將顯微CT檢查數(shù)據(jù)分割獲取的左側(cè)骨迷路模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，膜迷路模型隨之進(jìn)行三維空間變換。

1.5 參考模型比較 將David等使用的骨迷路參考模型和標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行校準(zhǔn)并觀察分析，判斷其是否具備代表性。

1.6 壺腹嵴空間方向測(cè)量 調(diào)整平面使其和壺腹帽模型完全重合，使用Angle Planes模塊測(cè)算壺腹帽平面和水平面或者矢狀面夾角，計(jì)算結(jié)果包括俯仰角、偏航角和翻滾角，以翻滾角作為夾角計(jì)算根據(jù)。

2 結(jié)果

使用3D Slicer軟件Otsu模塊可以快速分割獲取高質(zhì)量的半規(guī)管眼球結(jié)構(gòu)，用于生成內(nèi)耳眼球統(tǒng)計(jì)形狀模型。使用Statismo軟件，將模型與平均模型進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的配準(zhǔn)來(lái)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的過(guò)程耗時(shí)，反復(fù)建模4～5次后結(jié)果穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)形狀模型所導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)完整[11]，見圖1a-b（插頁(yè)）。David等使用的骨迷路參考模型與標(biāo)準(zhǔn)模型配準(zhǔn)后，匹配較好，具備代表性，見圖1b（插頁(yè)）。校準(zhǔn)后的膜迷路有利于觀察壺腹帽空間方向，見圖1c（插頁(yè)）。通過(guò)Transform模塊可以使得水平面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型半規(guī)管眼底平面且雙側(cè)半規(guī)管關(guān)于矢狀面對(duì)稱，從而建立參照標(biāo)準(zhǔn)立體空間坐標(biāo)系[10]，見圖2a（插頁(yè)）；內(nèi)耳模型與標(biāo)準(zhǔn)模型校準(zhǔn)后加三棱柱作為空間標(biāo)識(shí)，見圖2b（插頁(yè)）。平臥位左側(cè)后半規(guī)管壺腹嵴和矢狀面的夾角偏航角為8.8°，翻滾角為42.8°，見圖2c（插頁(yè)）；平臥位外半規(guī)管壺腹嵴和矢狀面的夾角偏航角為 9.6°，翻滾角為 3.8°，見圖 2d-e（插頁(yè)）。

3 討論

對(duì)于膜迷路的結(jié)構(gòu)和功能的研究已取得一定進(jìn)展。膜迷路包括橢圓囊和球囊、膜半規(guī)管和蝸管，在橢圓囊和球囊內(nèi)囊斑，能感受直線加速或減速運(yùn)動(dòng)。膜半規(guī)管一端膨大為膜壺腹，壁上有隆起的壺腹嵴，壺腹帽是覆蓋在壺腹嵴上的膠質(zhì)狀物質(zhì)，其基底與壺腹嵴上皮之間有一微細(xì)的腔隙，稱為壺腹帽下間隙，寬2～10μm，感覺(jué)細(xì)胞的毛穿過(guò)其間[12]。壺腹嵴能感受頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)淋巴沿管流動(dòng)時(shí)，可沖動(dòng)壺腹帽使之向一側(cè)擺動(dòng)，同時(shí)毛細(xì)胞的纖毛向一側(cè)傾倒。外半規(guī)管內(nèi)淋巴液向壺腹運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生興奮沖動(dòng)，上、后兩半規(guī)管內(nèi)淋巴液離壺腹運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生興奮沖動(dòng)。病理狀態(tài)下，當(dāng)脫落的耳石進(jìn)入膜半規(guī)管內(nèi)或黏附于壺腹帽上，會(huì)導(dǎo)致BPPV。當(dāng)頭位改變?nèi)绲皖^、仰頭、躺下、坐起、翻身時(shí)，會(huì)產(chǎn)生異常的興奮沖動(dòng)，表現(xiàn)突發(fā)頭暈、視物旋轉(zhuǎn)，片刻緩解，嚴(yán)重時(shí)伴惡心、嘔吐。通過(guò)頭位改變，根據(jù)眩暈誘發(fā)情況和眼震觀察可以判斷耳石位置，還可以使脫落的耳石回到橢圓囊內(nèi)，從而消除癥狀。

膜半規(guī)管和壺腹嵴的空間位置，對(duì)于BPPV的發(fā)病機(jī)制的研究、耳石復(fù)位治療都至關(guān)重要。相關(guān)文獻(xiàn)使用了各種方法進(jìn)行BPPV的模擬演示，包括構(gòu)造模型、組織切片圖像、動(dòng)物膜半規(guī)管、繪畫插圖、人骨半規(guī)管模型、人膜半規(guī)管模型等[7,13-17]，它們最大的缺點(diǎn)是空間方向欠規(guī)范且常常不一致。目前關(guān)于壺腹嵴空間方向的研究數(shù)據(jù)很少，其最大的原因是組織切片圖像通常缺乏空間信息。近年來(lái)影像檢查技術(shù)不斷發(fā)展，但臨床MRI檢查無(wú)法顯示壺腹嵴結(jié)構(gòu)；而尸體的壺腹帽會(huì)皺縮變形，且MR顯微技術(shù)和顯微CT也只檢查一側(cè)顳骨，同樣存在缺乏空間信息的問(wèn)題，因此缺少活體壺腹嵴數(shù)據(jù)[2,8,18]。David等使用顳骨染色后進(jìn)行顯微CT檢查的方法分割獲取膜迷路結(jié)構(gòu)，對(duì)壺腹嵴的顯示較好，且能顯示壺腹帽下間隙，雖然壺腹帽也有皺縮，但有些壺腹帽顯示完整。顳骨釓鹽浸泡后MR顯微成像可以顯示膜迷路，對(duì)于前半規(guī)管、外半規(guī)管壺腹嵴的輪廓顯示較好，但不能顯示壺腹帽下間隙，特別是后半規(guī)管壺腹嵴顯示不清，后半規(guī)管短臂界限模糊[2，19-20]。David等研究首次提供了獲取的包括壺腹帽結(jié)構(gòu)的膜迷路模型，具有重要的參考意義。David等通過(guò)將顯微CT檢查數(shù)據(jù)分割獲取的骨迷路和1例作為參照頭顱的骨迷路進(jìn)行校準(zhǔn)，然后同步三維空間變換膜迷路來(lái)確立膜迷路空間方向。但由于半規(guī)管空間方向存在個(gè)體差異，其參照模型的的代表性需要進(jìn)行確認(rèn)，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)模型作為參照模型。

標(biāo)準(zhǔn)膜迷路模型可以通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型基于主成分分析導(dǎo)出平均模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型，但是缺乏空間坐標(biāo)信息[11]。常見的立體空間參考平面系統(tǒng)包括法蘭克福立體坐標(biāo)系統(tǒng)和瑞德立體坐標(biāo)系，需要根據(jù)骨性標(biāo)志點(diǎn)來(lái)確立[21]。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)眼球最下緣和雙側(cè)半規(guī)管總管的頂端組成的平面即半規(guī)管眼底平面和法蘭克福平面平行，為水平面，也就是半規(guī)管眼球統(tǒng)計(jì)形狀模型根據(jù)半規(guī)管和眼球自身就可以構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的立體空間參考平面系統(tǒng)[10]。David等使用的參照骨迷路模型和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)耳眼球模型匹配良好，具有一定的代表性。

Hall等[13]認(rèn)為直立位時(shí)后半規(guī)管壺腹嵴接近垂直，Dix-Hallpike誘發(fā)試驗(yàn)時(shí)接近水平。但Epley等[6]認(rèn)為直立位后半規(guī)管壺腹嵴和水平面夾角為60°；本研究測(cè)量結(jié)果直立位后半規(guī)管壺腹嵴和矢狀面的夾角翻滾角為42.8°，相應(yīng)與水平面的夾角為余角即47.2°，兩者結(jié)果相近。Dix-hallpike試驗(yàn)頭部后仰30°后半規(guī)管壺腹嵴與地面接近垂直，后半規(guī)管嵴頂結(jié)石癥不易誘發(fā)陽(yáng)性檢查結(jié)果。筆者對(duì)Dix-hallpike試驗(yàn)進(jìn)行了改良，平臥后頭部不后仰，臨床應(yīng)用同樣有效，且因?yàn)樯习胍?guī)管BPPV檢查陰性，使得判斷更加簡(jiǎn)便，見圖3[22]。Baloh等[5]報(bào)道向地眼震水平半規(guī)管BPPV，其圖示平臥位膜外半規(guī)管壺腹嵴向內(nèi)側(cè)傾斜約為45°。也有其他研究報(bào)道平臥位外半規(guī)管壺腹嵴向外側(cè)傾斜[23-24]，可見結(jié)果不一。根據(jù)前庭生理知識(shí)，外半規(guī)管嵴帽結(jié)石癥，平臥位出現(xiàn)水平眼震，根據(jù)眼震方向來(lái)判斷患側(cè)，壺腹嵴向橢圓囊側(cè)還是半規(guī)管側(cè)傾斜定位完全相反。本研究測(cè)量結(jié)果顯示平臥位外半規(guī)管壺腹嵴偏航角為9.6°，翻滾角為3.8°?？梢娡獍胍?guī)管壺腹嵴平均翻滾角較小，由于半規(guī)管空間方向存在個(gè)體差異，后半規(guī)管夾角較小時(shí)水平半規(guī)管壺腹嵴隨之從向內(nèi)傾斜轉(zhuǎn)為向外側(cè)傾斜也即翻滾角方向會(huì)發(fā)生改變。由于平臥位外半規(guī)管壺腹嵴既可能向橢圓囊側(cè)偏斜，也可能向半規(guī)管側(cè)傾斜，外半規(guī)管嵴帽結(jié)石癥平臥位出現(xiàn)水平眼震，無(wú)法根據(jù)眼震方向判斷患側(cè)，也無(wú)法通過(guò)頭部向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)使得半規(guī)管壺腹嵴和地面垂直從而眼震消失來(lái)判斷患側(cè)。

圖3 平臥Dix-Hallpike試驗(yàn)（右側(cè)后半規(guī)管）[a：患者垂直坐位；b：頭向右側(cè)轉(zhuǎn)45°；c：患者從坐位快速躺下平臥；d：c的側(cè)面觀；箭頭所示為右側(cè)后半規(guī)管]

本研究成功建立了標(biāo)準(zhǔn)立體空間坐標(biāo)系膜迷路模型，并測(cè)量了壺腹嵴空間方向，可用于BPPV的研究[25-26]。下一步將基于此模型建立擬真BPPV模型。

[1]楊曉凱,吳曙智,陳曉素．內(nèi)耳體素模型三維可視化[J]．中國(guó)耳鼻咽喉頭頸外科,2016,23(11):668-670．

[2]楊曉凱,吳曙智,陳曉素,等．基于內(nèi)耳體素模型的膜迷路三維可視化[J]．解剖學(xué)報(bào),2017,48(2):170-174．

[3]Bhattacharyya N,Gubbels SP,Schwartz SR,et al．Clinical Practice Guideline:Benign Paroxysmal Positional Vertigo(Update)[J]．Otolaryngology-head and necksurgery,2017,156(suppl3):S1-S47．

[4]楊曉凱,鄭炎焱,吳曙智,等．基于磁共振數(shù)據(jù)的三維半規(guī)管建?？臻g方向測(cè)量[J]．解剖學(xué)報(bào),2016,47(2):238-242．

[5]Baloh RW,Jacobson K,Honrubia V．Horizontal semicircular canal variant of benign positional vertigo[J]．Neurology,1993,43(12):2542-2549．

[6]Epley JM．Human experience with canalith repositioning maneuvers[J]．Ann NY Acad Sci,2001,942(1):179-191．

[7]Teixido M,Woods O,Kung B,et al．A 3D benign paroxysmal positional vertigo model for study of otolith disease[J]．World Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery,2016,2(1):1-6．

[8]David R,Stoessel A,Berthoz A,et al．Assessing morphology and function of the semicircular duct system:introducing new in-situ visualization and software toolbox[J]．Scientific reports,2016,6:32772．

[9]Fedorov A,Beichel R,Kalpathy-Cramer J,et al．3D SLICER as an image computing platform for the quantitative imaging network[J]．Magnetic Resonance Imaging,2012,30(9):1323-1341．

[10]楊曉凱,鄭炎焱,吳森翔．良性陣發(fā)性位置性眩暈精準(zhǔn)手法復(fù)位探討[J]．臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2016,30(8):623-626．

[11]Clogenson M,Duff JM,Luethi M,et al．A statistical shape model of the human second cervical vertebra[J]．International journal of computer assisted radiology and surgery,2015,10(7):1097-1107．

[12]Igarashi M,Alford BR．Cupula,cupular zone of otolithic membrane,and tectorial membrane in the squirrel monkey[J]．Acta oto-laryngologica,1969,68(5):420-426．

[13]Hall SF,Ruby RR,McClure JA．The mechanics of benign paroxysmal vertigo[J]．J Otolaryngol,1979,8(2):151-158．

[14]Lanska DJ,Remler B．Benign paroxysmal positioning vertigo:classic descriptions,origins of the provocative positioning technique,and conceptual developments[J]．Neurology,1997,48(5):1167-1177．

[15]Büki B,Simon L,Garab S,et al．Sitting-up vertigo and trunk retropulsion in patients with benign positional vertigo but without positional nystagmus[J]．J Neurol Neurosurg Psychiatry,2011,82(1):98-104．

[16]Buckingham RA．Anatomical and theoretical observations on otolith repositioning for benign paroxysmal positional vertigo[J]．The Laryngoscope,1999,109(5):717-22．

[17]Ichijo H．Affected-ear-up 120°maneuver for treatment of lateral semicircular canal benign paroxysmal positional vertigo[J]．European archives of oto-rhino-laryngology,2017,274(9):3351-3357．

[18]Curthoys IS,Oman CM．Dimensions of the horizontal semicircular duct,ampulla and utricle in the human[J]．Acta oto-laryngologica,1987,103(3-4):254-261．

[19]楊曉凱．磁共振顯微成像三維重建顯示成人尸體膜半規(guī)管[J]．中國(guó)耳鼻咽喉頭頸外科,2015,22(6):315-316．

[20]Lane JI,Witte RJ,Henson OW,et al．Imaging microscopy of the middle and inner ear:PartⅡ:MR microscopy[J]．Clin Anat,2005,18(6):409-415．

[21]楊曉凱,吳曙智,葉華．核磁共振測(cè)量半規(guī)管空間位置方向[J]．臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2015,29(19):1683-1686．

[22]Yang XK,Zheng YY,Yang XG．Theoretical observation on diagnosis maneuver for benign paroxysmal positional vertigo[J]．Acta oto-laryngologica,2017,137(6):567-571．

[23]Kassemi M,Deserranno D,Oas JG．Fluid-structural interactions in the inner ear[J]．Computers&Structures,2005,83(2):181-189．

[24]Riga M,Korres S,Korres G,et al．Apogeotropic variant of lateral semicircular canal benign paroxysmal positional vertigo:is there a correlation between clinical findings,underlying pathophysiologic mechanisms and the effectiveness of repositioning maneuvers?[J]．Otology&neurotology,2013,34(6):1155-1164．

[25]楊曉凱,鄭炎焱,楊曉國(guó),等．外半規(guī)管良性發(fā)作性位置性眩暈復(fù)位方法理論探討[J]．中國(guó)耳鼻咽喉頭頸外科,2016,23(12):281-285．

[26]金哲如,林萍,楊曉凱,等．水平半規(guī)管良性陣發(fā)性位置性眩暈李氏復(fù)位法實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯縖J]．臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志,2017,31(14):1116-1118．